Sedan kapten James Cook upptäckte på 1770-talet att vattnet omfattade jordens sydliga breddgrader, oceanografer har studerat södra oceanen, dess fysik, och hur det interagerar med den globala vattencirkulationen och klimatet.

Genom observationer och modellering, forskare har länge vetat att stora, djupa strömmar i Stilla havet, Atlanten och Indiska oceanen flyter söderut, konvergerar mot Antarktis. Efter att ha kommit in i södra oceanen välter de – och tar upp vatten från det djupare havet – innan de flyttar tillbaka norrut vid ytan. Denna vältning fullbordar den globala cirkulationsslingan, som är viktigt för det oceaniska upptaget av kol och värme, återförsörjning av näringsämnen för användning i biologisk produktion, samt förståelsen för hur ishyllor smälter.

Ändå var den tredimensionella strukturen av de vägar som dessa vattenpartiklar tar för att nå Sydhavets ytblandade skikt och deras associerade tidsskalor dåligt förstått tills nyligen. Nu har forskare funnit att djupt, relativt varmt vatten från de tre havsbassängerna kommer in i södra oceanen och spiralerar sydost och uppåt runt Antarktis innan det når havets blandade lager, där det interagerar med atmosfären.

Forskargruppen inkluderar forskare från MIT, Scripps Institution of Oceanography, Princeton Universitet, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, University of Washington, och NASA:s Jet Propulsion Laboratory. Studien, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , avslöjar också att starka virvlar, orsakad av topografiska interaktioner på fem platser inom det nuvarande cirkulerande Antarktis, spelar en stor roll i denna uppväxtprocess. Forskarna kunde dessutom bestämma hur mycket vatten från varje havsbassäng som gjorde det till vad de kallar denna "spiraltrappa, " och tror att den här resan sker mycket snabbare än tidigare uppskattningar antyder.

I södra oceanen, starka växelverkan mellan havet och atmosfären och virvlar driver till stor del uppflödet, forskare har funnit. Västliga vindar som cirkulerar i Antarktis blåser kallt, koldioxidrikt ytvatten norrut från kontinenten över Antarctic Circumpolar Current (ACC). ACC flyter runt den norra kanten av södra oceanen och är inte bara världens starkaste ström, men också den enda större strömmen som kretsar runt jorden utan hinder av kontinenter. Mycket av det kalla vattnet kommer från issmältning, orsakad av varmare, näringsrika vatten som kommer in i ACC på djupet och gradvis stiger upp från ca 1, 000-3, 000 meter djup.

Observationer av södra oceanens temperatur och salthalt gav ledtrådar till strukturen för denna vältning, men det var inte förrän nyligen som datormodeller var sofistikerade nog att köra realistiska simuleringar, ger forskare möjlighet att undersöka om och hur uppflödet varierar i tredimensionellt utrymme och vad som styr uppströmningsstrukturen. För att utforska dessa frågor, forskarna använde tre atmosfär-hav-modeller, kapabla att fånga kritiska drag av oceanisk cirkulation som uppstår i liten skala. De följde sedan virtuella vattenpartiklar varifrån de kom in i södra oceanen runt 30 söderut och mellan 1, 000 och 3, 000 meter djupt till där de passerade gränsen för blandat lager, som ansågs vara 200 meter djup. De förhållanden som användes i klimatmodellexperimenten var ganska överensstämmande med år 2000; dessa drevs sedan i 200 år i detta eviga tillstånd. Under denna tid släpptes virtuella vattenpartiklar i modellerna.

"Vi spårade miljontals av dessa partiklar när de växer upp. Sedan kartlade vi deras vägar, och vi kan bestämma ... och separera volymtransporten - hur mycket vatten som förflyttas - av dessa strömmar. Så, vi kan jämföra hur viktiga dessa olika regionala vägar är, " säger medförfattaren Henri Drake, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS), och medlem av programmet i Atmospheres, Hav och klimat. De noterade också den tid det tog partiklarna att nå det blandade skiktet samt platser för förbättrad uppströmning.

Deras analys visade att vattenpaketen tenderade att rinna söderut, främst längs västra och östra gränsströmmar i Atlanten, Indiska, och Stilla havet, där de gick in i ACC-spårningen med densitetsytor. Interaktioner mellan ACC och virvlar runt undervattensterräng spelade också en viktig roll i uppströmningsprocessen.

"I det djupa havet, vattenpaket följer täthetsytor ... som börjar riktigt djupt där vi släpper ut partiklarna och sedan blir grundare när du går söderut, " säger Drake. "Så om du har en partikel som reser söderut längs samma densitetsyta, det kommer att bli högre i vattenpelaren, tills densitetsytan slutligen skär det blandade lagret."

Dessutom, fem stora topografiska platser i ACC - Southwest Indian Ridge, Kerguelenplatån, Macquarie Ridge, Stillahavs-antarktiska åsen, och Drake Passage – skapade områden med turbulens och hög kinetisk energi, vilket hjälpte till att strömma upp större delen av vattnet.

"Virvlar är i grunden dessa virvlar i södra oceanen som är riktigt viktiga för att transportera vatten, " säger Drake. "Om du inte har några virvlar, vattnet skulle förmodligen gå runt Antarktis och komma tillbaka på samma latitud. Men med virvlar, när partiklarna färdas i dessa strömlinjer, de kommer att ta sig till en plats med hög rörlig rörelseenergi och strömma söderut och upp till nästa strömlinje."

Forskare fann också att hälften av vattnet som nådde det blandade lagret härrörde från Atlanten, medan Indiska och Stilla havet bidrog med ungefär en fjärdedel. Majoriteten av dessa vatten passerade denna tröskel efter 28-81 år. I modellen med högsta upplösning, denna tidsskala är så mycket som 10 gånger snabbare än tidigare uppskattningar från icke-virvelmodeller, som låg närmare 150-250 år. Detta visar att uppströmningshastigheter kan vara avgörande för Antarktis issmältning i samband med framtida klimatförändringar, säger Adele Morrison, en medförfattare vid Australian National University som bidrog till arbetet vid Princeton University. Modellerna var i stort sett överens, visar robustheten i resultatet, hon säger.

"Vetenskapligt, detta är betydelsefullt, för vi har länge tänkt på att uppgången i första hand drivs av vindarna, som är ganska enhetliga runt södra oceanen, " säger Morrison. "Men här har vi visat att strukturen i uppflödet verkligen styrs av underhavstopografin och virvelfältet."

John Marshall, Cecil och Ida Green professor i oceanografi vid EAPS, som inte var en del av studien, säger att forskningen bekräftar att uppströmning i södra oceanen "förmedlas av virvlar, men det understryker hur viktiga virvlar är och hur lokaliserad en del av virvelaktiviteten är - så det gör det svårt att representera i modeller som inte har några virvel."

"Jag tror att kommunikationstiderna kan vara lite snabbare än vi trodde att de var mellan interiören och ytan, " säger Marshall.

Gruppen planerar att fortsätta arbetet, undersöka gränssnitt mellan hav och atmosfär, vattenpartikelbanor, och spridningen av klimatförändringssignaler från djupvattenbildning i norra Atlanten till södra oceanen.

"Vår beskrivning av vägarna som förbinder djuphavet med ythavet öppnar dörren för framtida studier för att koppla djuphavets vätskemekanik till värmeutbyten, kol, och näringsämnen i gränssnittet mellan havet och atmosfären som påverkar jordens klimat, " säger Drake.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.